一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備及方法，包括導(dǎo)軌滑槽、兩個(gè)紅外CCD攝像機(jī)和激光調(diào)制模塊，兩個(gè)紅外CCD攝像機(jī)和激光調(diào)制模塊位于導(dǎo)軌滑槽上，激光調(diào)制模塊位于第一紅外CCD攝像機(jī)和第二紅外CCD攝像機(jī)的中間，所述激光調(diào)制模塊上設(shè)有激光出射光孔，所述激光調(diào)制模塊包括光斑激光發(fā)射器和兩組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的反光鏡，第一反光鏡和第二反光鏡之間的距離為5cm。本發(fā)明具有生產(chǎn)成本低、制作簡單的特點(diǎn)，適合推廣應(yīng)用。
【專利說明】一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光三維掃描【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光三維掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，在國內(nèi)越來越引起研究領(lǐng)域的關(guān)注。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破。該技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域也有了很多的嘗試、應(yīng)用和探索。
[0003]在自然光照條件下使用激光三維掃描設(shè)備，會(huì)受到太陽光、大氣等外界因素的影響。已經(jīng)生產(chǎn)出的一些三維掃描設(shè)備，如車載三維激光掃描儀已經(jīng)可以解決這一問題，但成本過高。為了降低設(shè)備成本，保證激光三維掃描設(shè)備可在自然光照條件下使用，解決CCD/CMOS圖像中激光和自然光的精確區(qū)分問題，需要對激光波段進(jìn)行選擇。選擇激光波段時(shí)要綜合考慮自然環(huán)境中太陽光的影響、大氣對光譜吸收造成的衰減、CCD/CM0S的敏感特性和激光器的安全性限制這四個(gè)問題。
[0004]現(xiàn)有的適合于室外自然環(huán)境使用的激光三維掃描系統(tǒng)較少。我們在SCI數(shù)據(jù)庫中檢索了 2007年至2013年的相關(guān)文獻(xiàn)6篇?，F(xiàn)有技術(shù)一是采用脈沖激光的飛行時(shí)間法來達(dá)到數(shù)據(jù)獲取的目標(biāo)。該技術(shù)要通過計(jì)算機(jī)主頻時(shí)鐘精確控制激光脈沖的發(fā)射并記錄從發(fā)射到接收到反射信號的時(shí)間差，以此來測算光點(diǎn)的三維信息。因?yàn)橛?jì)算機(jī)主頻時(shí)鐘頻率約為2GHz左右，所以測量精度(誤差)約為150_。為提高測量精度而提高時(shí)鐘頻率時(shí)，成本大幅增加，體積較為龐大。另外，這種設(shè)備所需的光電轉(zhuǎn)換傳感單元要求苛刻，造價(jià)高。以該原理方法制作的設(shè)備適合于對距離較遠(yuǎn)的物體進(jìn)行測量，對近距離小物體的測量則難以得到詳細(xì)細(xì)節(jié)信息。現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺陷:
[0005](I)成本高,體積龐大,不易攜帶。
[0006](2)技術(shù)實(shí)現(xiàn)不易控制。
[0007](3)分辨率較低，不能測量較小物體或效果較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備及方法，該設(shè)備大幅度降低設(shè)備成本，同時(shí)保證適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備能夠在自然光條件下使用，需要對激光波段進(jìn)行選擇。
[0009]其技術(shù)方案如下:
[0010]一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備，包括導(dǎo)軌滑槽1、兩個(gè)紅外CXD攝像機(jī)和激光調(diào)制模塊4，兩個(gè)紅外CCD攝像機(jī)和激光調(diào)制模塊4位于導(dǎo)軌滑槽I上，激光調(diào)制模塊4位于第一紅外CXD攝像機(jī)2和第二紅外CXD攝像機(jī)3的中間，所述激光調(diào)制模塊4上設(shè)有激光出射光孔5，所述激光調(diào)制模塊4包括光斑激光發(fā)射器6和兩組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的反光鏡，第一反光鏡7和第二反光鏡8之間的距離為5cm。
[0011]優(yōu)選地，兩個(gè)紅外CXD攝像機(jī)平行放置，間隔距離為50cm。
[0012]優(yōu)選地，所述激光發(fā)射器6為3A級1064nm激光發(fā)射器。
[0013]優(yōu)選地，所述激光出射光孔5的直徑為3.6cm，形狀為夾角90°的圓錐狀。
[0014]一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描方法，包括以下步驟:
[0015]I)先將激光調(diào)制模塊確定在支架的中間位置。激光調(diào)制模塊中第一組反光鏡繞水平軸線低速旋轉(zhuǎn)，第二組反光鏡繞垂直軸線高速旋轉(zhuǎn)。激光點(diǎn)經(jīng)第二組鏡面反射后在相機(jī)成像上會(huì)形成直線型的李薩如(JulesAntoine Lissajous)圖形。第二組反光鏡旋轉(zhuǎn)30周/秒(10800° /秒)，第一組反光鏡只做很小幅度(約1/30° /秒)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證掃描動(dòng)作在空間較小的的跨度。
[0016]2)根據(jù)掃描物體的距離和掃描范圍調(diào)節(jié)兩個(gè)紅外CCD相機(jī)的相對與激光調(diào)制模塊的位置。距離短且范圍小時(shí)，兩個(gè)紅外CCD相機(jī)距離激光調(diào)制模塊較近。相反地，距離遠(yuǎn)且范圍大時(shí)，兩個(gè)紅外CCD相機(jī)距離激光調(diào)制模塊較遠(yuǎn)。兩個(gè)紅外CCD相機(jī)中分別安裝了1064nm土 IOnm的窄帶濾光片。
[0017]3)利用張正友算法或者三角法原理標(biāo)定兩個(gè)紅外CCD相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)(包含有相對位置和姿態(tài)的信息)。將相對位置和姿態(tài)信息作為固定參數(shù)存儲。
[0018]4)掃描過程中，提取兩幅圖像中的激光點(diǎn)信號，結(jié)合兩紅外C⑶相機(jī)的相對位置和姿態(tài)信息，利用視差原理計(jì)算出相對應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。該方法可達(dá)到2000P/S的掃描速率。
[0019]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明選擇激光波段時(shí)要綜合考慮自然環(huán)境中太陽光的影響、大氣對光譜吸收造成的衰減、(XD/CM0S的敏感特性和激光器的安全性限制這四個(gè)問題。
[0020]I)太陽光譜能量密度計(jì)算。在自然光照條件下使用適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備，受自然環(huán)境影響最大的因素來自于太陽。太陽光譜特征表現(xiàn)為表面溫度5778K的黑體輻射，通過普朗克公式計(jì)算其能量密度。為保證冗余度需計(jì)算能量密度最大值，此處選取日地最短距離為1.471xl08km。取太陽半徑為6.963xl05km時(shí)，以太陽中心為中心，日地距離為半徑的球體表面積與太陽表面積的比為:4.463xl04。
[0021]2)選取受大氣影響較小的激光波段。選擇激光波段時(shí)，還需考慮空氣中各組成成分(氮，氧，二氧化碳，稀有氣體，水蒸氣，其它氣體和雜質(zhì))對光的吸收引起的衰減作用。雖然這種衰減會(huì)同時(shí)影響太陽光和激光，但是為保證儀器設(shè)備能在苛刻條件下正常工作，一般取不受大氣影響或受影響較小的波段以保持其穩(wěn)定性。
[0022]3)選取適用的(XD/CM0S。在自然環(huán)境下使用(XD/CM0S時(shí)，為在某激光器的工作波段獲得有效的敏感度、提高信噪比和對比度，最好選擇對該波段響應(yīng)敏感的CCD/CM0S來使用。如果還不能有效消除自然環(huán)境光的影響，則須使用濾光片濾除該工作波段以外的光。一般使用窄帶濾波片，半帶寬選±10nm，效果較佳。
[0023]4)依據(jù)激光器安全性限制選取激光波段。激光的安全性也是影響其譜段選擇的一個(gè)重要因素。原因是在可見譜段光子撞擊生物機(jī)體時(shí)會(huì)引起電子遷移而破壞機(jī)體細(xì)胞，在紅外譜段僅僅會(huì)引起原子間化學(xué)鍵的震動(dòng)或扭曲而產(chǎn)生熱，危害較小。
[0024]5)設(shè)計(jì)相應(yīng)的激光運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。分別使用線狀光條激光和圓形光斑激光完成掃描，通過比較得出使用圓形光斑激光完成掃描是可行的方案。具體需要在水平方向和垂直方向上做間隔式周期性轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)掃描。
[0025]6)構(gòu)建設(shè)備成本低。通過對激光波段的選擇，實(shí)現(xiàn)了適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備在自然光下的使用，大幅度降低了設(shè)備成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是激光調(diào)制模塊工作示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
[0029]參照圖1-圖2，一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備，包括導(dǎo)軌滑槽1、兩個(gè)紅外CCD攝像機(jī)和激光調(diào)制模塊4，兩個(gè)紅外CCD攝像機(jī)和激光調(diào)制模塊4位于導(dǎo)軌滑槽I上，激光調(diào)制模塊4位于第一紅外CXD攝像機(jī)2和第二紅外CXD攝像機(jī)3的中間，所述激光調(diào)制模塊4上設(shè)有激光出射光孔5，所述激光調(diào)制模塊4包括激光發(fā)射器6和兩組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的反光鏡，第一反光鏡7和第二反光鏡8之間的距離為5cm。兩個(gè)紅外CXD攝像機(jī)平行放置，間隔距離為50cm。所述激光發(fā)射器6為3A級1064nm激光發(fā)射器。兩個(gè)紅外C⑶攝像機(jī)平行放置，間隔距離為50cm，在兩個(gè)攝像機(jī)之間，激光出射光孔5中心距離兩攝像機(jī)鏡頭中心各約25cm處。所述激光出射光孔5的直徑為3.6cm，形狀為夾角90°的圓錐狀。
[0030]圖2顯示了本掃描設(shè)備激光調(diào)制模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。第一反光鏡7的步進(jìn)電機(jī)繞水平軸以每秒約2”的速度旋轉(zhuǎn)。第二反光鏡8的步進(jìn)電機(jī)繞垂直軸以每秒約30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。在第二反光鏡8和④直線狀李薩如圖形9之間，有圖1中⑤所示的激光出射孔。經(jīng)調(diào)制后的激光圖形為所示的直線狀李薩如圖形9。
[0031]I)構(gòu)建方法:
[0032]采用雙目視覺原理，在兩個(gè)紅外相機(jī)中可以得到反射激光點(diǎn)的視差圖像。通過處理這兩幅圖像，獲得被測物體表面的三維坐標(biāo)信息。為能在自然環(huán)境下使用，在紅外相機(jī)內(nèi)部加裝980 ± IOnm的窄帶濾波片。
[0033]在兩個(gè)紅外相機(jī)之間安裝了激光調(diào)制模塊。該模塊包括光斑激光發(fā)射器和兩組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏡面。假設(shè)激光線處于水平姿態(tài)，其中第一組反光鏡繞水平軸線低速旋轉(zhuǎn)，第二組反光鏡繞垂直軸線高速旋轉(zhuǎn)。激光點(diǎn)經(jīng)第二組鏡面反射后在相機(jī)成像上會(huì)形成直線型的李薩如(Jules Antoine Lissajous)圖形。第二組反光鏡旋轉(zhuǎn)30周/秒(10800° /秒)，第一組反光鏡只做很小幅度(約1/30° /秒)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證掃描動(dòng)作在空間較小的跨度。
[0034]激光投射到被測物體上后，會(huì)在兩個(gè)紅外相機(jī)內(nèi)形成光條圖像。通過自主開發(fā)的配套軟件，可匹配光條圖像點(diǎn)對，之后再依據(jù)視差計(jì)算獲得相應(yīng)的三維坐標(biāo)信息。
[0035]2)開發(fā)環(huán)境:
[0036]a.C++:計(jì)算機(jī)編程語目。[0037]b.WindowsAP1:操作系統(tǒng)應(yīng)用程序編程接口。
[0038]c.0penCV:開源計(jì)算機(jī)視覺庫。主要用來圖像捕獲，以及進(jìn)行圖像處理
[0039]d.Microsoft Visual C++6.0Express Edition:編程 IDE。
[0040]3)具體實(shí)現(xiàn):
[0041]a.選擇出適合自然光條件下使用的激光波段。
[0042]綜合多個(gè)影響激光在自然光條件下使用的因素的分析，在選擇可適用于復(fù)雜自然環(huán)境的激光發(fā)射器時(shí)，依照:
[0043]I必須滿足安全標(biāo)準(zhǔn)
[0044]II發(fā)射的能量密度要大于太陽光在該波段的輻射
[0045]III盡可能提高激光在(XD/CM0S成像系統(tǒng)中的對比度和信噪比
[0046]IV盡可能避免大氣吸收造成的衰減
[0047]等原則，一般選擇近紅外波段，并按N1064nm>N980nm>N808nm(其中用Nxnm來表示波長為X rim處的適用系數(shù))的排序?yàn)閮?yōu)先選擇順序。但是由于808nm處的(XD/CM0S成像通常會(huì)有程度不一的“泛紅”現(xiàn)象，所以一般不選擇該波段；由表1可知，980nm在掃描時(shí)間很長時(shí)，也存在功率超標(biāo)的可能；1064nm是出個(gè)波段中唯一)滿足各項(xiàng)限制條件的最好選擇。
[0048]表1典型激光波段的發(fā)射極限及相應(yīng)波長太陽能量密度的對比
[0049]
【權(quán)利要求】
1.一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備，其特征在于，包括導(dǎo)軌滑槽、兩個(gè)紅外CCD攝像機(jī)和激光調(diào)制模塊，兩個(gè)紅外CCD攝像機(jī)和激光調(diào)制模塊位于導(dǎo)軌滑槽上，激光調(diào)制模塊位于第一紅外CXD攝像機(jī)和第二紅外CXD攝像機(jī)的中間，所述激光調(diào)制模塊上設(shè)有激光出射光孔，所述激光調(diào)制模塊包括光斑激光發(fā)射器和兩組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的反光鏡，第一反光鏡和第二反光鏡之間的距離為5cm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備，其特征在于，，兩個(gè)紅外(XD攝像機(jī)平行放置，間隔距離為50cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備，其特征在于，所述激光發(fā)射器為3A級1064nm激光發(fā)射器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于自然環(huán)境的激光三維掃描設(shè)備，其特征在于，所述激光出射光孔的直徑為3.6cm，形狀為夾角90°的圓錐狀。
5.一種適用于自然環(huán)境的激光三維掃描方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)先將激光調(diào)制模塊確定在支架的中間位置，激光調(diào)制模塊中第一組反光鏡繞水平軸線低速旋轉(zhuǎn)，第二組反光鏡繞垂直軸線高速旋轉(zhuǎn)；激光點(diǎn)經(jīng)第二組鏡面反射后在相機(jī)成像上會(huì)形成直線型的李薩如圖形；第二組反光鏡旋轉(zhuǎn)30周/秒，第一組反光鏡只做1/30° /秒的轉(zhuǎn)動(dòng)； 2)根據(jù)掃描物體的距離和掃描范圍調(diào)節(jié)兩個(gè)紅外CCD相機(jī)的相對與激光調(diào)制模塊的位置；距離短且范圍小時(shí)，兩個(gè)紅外CCD相機(jī)距離激光調(diào)制模塊較近；相反地，距離遠(yuǎn)且范圍大時(shí)，兩個(gè)紅外CCD相機(jī)距離激光調(diào)制模塊較遠(yuǎn)；兩個(gè)紅外CCD相機(jī)中分別安裝了1064nm±10nm的窄帶濾光片； 3)利用張正友算法或者三角法原理標(biāo)定兩個(gè)紅外CCD相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)；將相對位置和姿態(tài)信息作為固定參數(shù)存儲； 4)掃描過程中，提取兩幅圖像中的激光點(diǎn)信號，結(jié)合兩紅外CCD相機(jī)的相對位置和姿態(tài)信息，利用視差原理計(jì)算出相對應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值；該方法可達(dá)到2000P/S的掃描速率。
【文檔編號】G01B11/00GK103954214SQ201410163414
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】張志毅, 耿楠, 胡少軍, 何東健 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)